Trasformiamo l’analizzatore logico in un oscilloscopio Mixed Signal con il modulo DSO della Zeroplus

Giovanni Bernardo | 23 luglio 2018
Categorie: Strumentazione

La Zeroplus mi ha inviato in anteprima il DSO Module. Si tratta di un accessorio per gli analizzatori logici della serie LAP-C che consente di utilizzarli anche come oscilloscopio consentendoci di avere uno strumento abbastanza versatile che può funzionare sia da analizzatore logico che da oscilloscopio, anche contemporaneamente. Il modulo accetta in ingresso segnali analogici e li converte in digitale per poi inviarli all’analizzatore logico sfruttando i canali digitali in ingresso, il resto del lavoro viene quindi svolto dal software sul PC.

Zeroplus_DSO_module_018

Terminologia

Se siete a digiuno di termini tecnici, è bene che elenco qui alcune sigle prima di continuare altrimenti rischiate di non riuscire a seguirmi nel discorso:

  • DSO: Digital Storage Oscilloscope. Oscilloscopio con memoria digitale, si differenzia dai vecchi oscilloscopi con tubo a raggi catodici (CRO: Cathode Ray Oscilloscope) per il fatto che i dati misurati vengono salvati in memoria e quindi mostrati sul display.
  • LA: Logic Analyzer. Analizzatore di stati logici. A differenza di un oscilloscopio, questo tipo di strumento è in grado di rilevare unicamente segnali digitali (0,1) e analizzarli, ovvero è in grado di decodificare svariati protocolli di comunicazione (UART, SPI, I2C, USB, CAN, LIN ecc ecc). Quando un analizzatore logico viene utilizzato per decodificare un protocollo di comunicazione digitale si parla anche di Analizzatore di Protocolli.
  • MSO: Mixed Signal Oscilloscope. Oscilloscopio per segnali misti. Combina un DSO con un LA nello stesso strumento.
  • MS/s: Mega Samples per second. Milioni di campioni al secondo. E una unità di misura utilizzata per la frequenza di campionamento: più è alto questo numero, più è accurata la nostra misura (più campioni vengono presi, più è alta la probabilità di avvicinarsi al “valore vero”).

 

Caratteristiche dello Zeroplus DSO Module

Cominciamo con il dire che il modulo DSO della Zeroplus è realizzato per gli analizzatori logici LAP-C serie 16 e serie 32, non è quindi possibile utilizzarlo con altri modelli di analizzatori logici, per cui, no, non potete utilizzarlo con il LAP Educator di cui abbiamo parlato qualche tempo fa.

Elenco qui le caratteristiche principali del modulo DSO (per le caratteristiche complete fate riferimento al sito ufficiale):

  • Frequenza di campionamento massima: 100MS/s
  • Convertitore A/D ad 8bit
  • Tensioni  massime in ingresso:
    • ± 20V (DC+AC pk) con sonda 1:1
    • ± 200V (DC+AC pk) con sonda 10:1
    • ± 2000V (DC +AC pk) con sonda 100:1 (non fornita)
  • Banda passante: ∼20MHz
  • Accuratezza: ±3%

Attenzione: in ingresso al modulo DSO non possono arrivare più di ±20V per cui, anche se la sonda in dotazione sopporta 200V in modalità X1, non vuol dire che potete controllare un segnale da 200V con la sonda impostata x1 altrimenti i 200V finiscono dritti nel modulo friggendolo (e probabilmente friggendo anche il logic cube e il computer in cascata)! I 200V, ad esempio potreste controllarli in modalità x10, in modo che vengano divisi per 10…ma anche questo non lo farei perchè possono esserci dei picchi di tensione e non è mai bene lavorare vicino ai limiti perchè si rischia grosso! Per cui state attenti alle tensioni che andate a controllare. Per me l’utilizzo di un apparecchio del genere è destinato ad essere quello del controllo delle apparecchiature elettroniche a bassa tensione.

Il modulo DSO tra i due bocchettoni BNC per le sonde, ha un pad dorato con la scritta CAL: su questo pad è presente un’onda quadra a circa 2KHz, 3.3Vpp, che viene utilizzata per la compensazione delle sonde:

Come funziona

Come dicevo più in alto, il modulo DSO si collega all’analizzatore logico mediante i canali digitali. Sul modulo sono presenti due convertitori analogico/digitali ad 8 bit (AD9283 della Analog Devices) che ricevono, opportunamente condizionati, i segnali analogici in ingresso e li convertono in un segnale digitale ad 8 bit trasferendoli su altrettanti canali digitali sull’analizzatore logico (vengono sfruttati i bus ad 8 bit dei canali A e B del Logic Cube).

Il software dell’analizzatore logico, quando viene impostato come MSO, tratta quindi i canali digitali come un unico canale analogico per cui interpreta gli 8 bit dei canali come un numero e ne fornisce quindi una rappresentazione analogica.

Il modulo DSO, nel caso venga utilizzato come oscilloscopio a singolo canale, occupa 9 canali digitali sull’analizzatore logico, per cui se avete un LAP-C serie 16 (che ha 16 canali digitali), come me, potete disporre di un canale DSO + 7 canali LA oppure 2 canali DSO.

Se invece siete più fortunati e avete un LAP-C serie 32 (che ha 32 canali digitali), potete disporre di un canale DSO + 23 canali LA oppure 2 canali DSO+16 canali LA.

Quelli più attenti, come me, si sono fatti due conti e si stanno chiedendo come mai, se il convertitore A/D è ad 8 bit, in modalità 1 canale DSO vengono occupati 9 canali digitali (8 canali A + B0) mentre in modalità 2 canali DSO ne vengono occupati 16 (8 canali A + 8 canali B). Anche io mi sono posto questa domanda e l’ho chiesto direttamente ai tecnici della Zeroplus. In pratica il canale B0 viene utilizzato come trigger dall’ analizzatore logico verso il modulo. Per cui in modalità 1 canale DSO abbiamo gli 8 bit del canale + il trigger. In modalità due canali, B0 viene sempre utilizzato come trigger e, per contro, il secondo canale, in realtà, non ha una risoluzione di 8 bit bensì di 7, per cui non meravigliatevi nel caso in cui, controllando lo stesso segnale, evidenziate delle discrepanze misurandolo con il secondo canale.

Contenuto del kit

Nel kit troverete:

  • Il DSO Module
  • Due sonde analogiche per oscilloscopio X10, 20MHz, CAT II complete di cappuccio con gancio, anelli di diversi colori, cacciavite anti-induttivo per la compensazione e “slitta di posizionamento”
  • Cavo flat per collegamento DSO/Logic Cube in modalità 1 canale DSO
  • Cavo flat per collegamento DSO/Logic Cube in modalità 2 canali DSO
  • Guida rapida (scaricabile anche in PDF dal sito ufficiale)

La “slitta di posizionamento” si trova nella bustina insieme agli anelli colorati aggiuntivi. Si applica sul puntale della sonda per isolarla da pad vicini quando andiamo a testare i dispositivi.

Primo utilizzo

Per poter utilizzare il modulo DSO è necessario avere installata una versione del software LAP-C dalla 3.14.03 a salire. Scaricate l’ultima versione dal sito ufficiale seguendo i link che vi fornisco all’ultimo paragrafo.

Colleghiamo quindi il modulo DSO al Logic cube. Per farlo ci sono due diversi flat cable: uno è per la modalità ad un canale (CH1) e l’altro, che ha più fili, per la modalità 2 canali (CH1+CH2). Entrambi i flat hanno da un lato un connettore da 15+15 pin con un dente, che si innesta nel modulo DSO, e dall’altra due connettori: uno più piccolo da 8+8 pin che va innestato sul logic cube in maniera tale che il filo rosso si trovi collegato al pin Vdd, e un connettore più lungo (da 9 pin per CH1, da 16 pin per CH1+CH2) che va innestato sui pin del logic cube relativi ai canali, e che va collegato col primo cavetto marrone sul canale A0 facendo combaciare i colori dei cavi con quelli delle etichette dei canali:

Il connettore da 15+15 pin va collegato sul modulo DSO facendo andare il “dente” verso la base del modulo:

Per questa prima prova utilizzeremo un unico canale analogico ed eseguiremo l’azzeramento e la compensazione delle sonde. Collegheremo quindi il DSO al Logic Cube col flat da 1 canale.

Impariamo quindi a prendere confidenza con gli interruttori sul corpo del modulo DSO.

Per il canale 1 impostiamo Volt/Div a 2V. Questo si fa portando il deviatore Volt/Div in posizione centrale. Leggendo le serigrafie vediamo che l’interruttore al centro imposta la scala a 2V/Div nel caso in cui la sonda sia 10X, o 200mV nel caso in cui la sonda sia 1X.

Impostiamo quindi la frequenza di campionamento. Per questa ci sono due deviatori. Il primo, messo a sinistra può fornire 3 frequenze di campionamento: 2.5, 5 e 10MHz, messo a destra invece 25, 50 e 100MHz. Il secondo deviatore sceglie invece il valore. Impostiamo quindi una frequenza di campionamento pari a 2.5MHz: interruttore di sinistra messo a sinistra, e interruttore di destra messo a sinistra:

Assicuratevi inoltre che il deviatore della sonda sia impostato su x10:

Colleghiamo quindi il Logic Cube al PC e avviamo il software. Io sto utilizzando la versione 3.14.04 che, al momento in cui scrivo, è la più aggiornata. Rispetto alle vecchie versioni del software, ora in alto c’è il menù MSO. Clicchiamo su MSO e scegliamo “Single DSO analog channel”:

Dopo aver eseguito questa scelta vedete che i canali da A0 a B0 scompaiono lasciando posto ad un canale di ampiezza maggiore rispetto a quelli digitali e la scritta “CH1”. Ora la cosa importante quando utilizziamo il modulo DSO è che le impostazioni sul software siano uguali a quelle dell’hardware!

Dato che abbiamo selezionato una scala di 2V/Div e una frequenza di campionamento pari a 2.5MHz, dobbiamo mettere queste impostazioni anche nel software. La scala si imposta nella colonna “scale” del canale 1:

La frequenza di campionamento, invece, sappiamo già dove si imposta, e impostiamo anche la memoria di acquisizione a 2K:

Ricordo che la memoria di acquisizione determina la “quantità” di segnale da campionare, ovvero l’estensione del segnale sull’asse X. Questo numero influisce chiaramente sulla velocità di aggiornamento del segnale sul monitor: 2K fornisce una velocità maggiore ma per molte applicazioni potrebbe non essere sufficiente dal momento che non consentirebbe di visualizzare tutto il segnale che dobbiamo analizzare. La frequenza di campionamento invece va scelta in maniera tale che sia almeno 4 volte più grande della frequenza del segnale da campionare, meglio se 10 volte più grande.

Impostiamo, infine, anche il trigger: lo impostiamo sul canale analogico in modalità “rising edge” e “auto” (di default si dovrebbe già trovare così):

Notate che in modalità MSO, il tastino per l’acquizione singola (tasto “play”) è disabilitato, mentre risulta abilitato unicamente quello dell’acquisizione continua (repeated capture) . Premiamolo lasciando la sonda “in aria”, ovvero non collegata a nulla.

Viene visualizzata una linea gialla sul canale 1, che rappresenta il segnale catturato dalla sonda:

Con la sonda scollegata, la linea gialla deve trovarsi sulla linea degli zero volt (che è la linea grigia, non quella arancione!):

In questa immagine la linea gialla si trova sullo zero

Nel caso in cui la linea gialla non si trovasse sullo zero, la si regola girando il trimmer CHx 0v ADJ utilizzando il cacciavite antistatico in dotazione:

Regolazione zero

A questo punto controlliamo anche la compensazione della sonda. Per fare questo si utilizza il pad indicato come “CAL” posto tra i due bocchettoni BNC delle sonde. Mettiamo il “cappuccio” alla sonda e agganciamola al pad:

Nel monitor dovremmo avere una situazione del genere:

Ovvero un’onda quadra perfetta. Nel caso in cui il segnale non sia stabile possiamo regolare con delicatezza il trimmer del trigger sul modulo DSO fino a “fermare” il segnale.

La nostra sonda ha problemi di compensazione nel caso in cui gli angoli dell’onda quadra visualizzata non sono a 90° come in questi due casi:

Sonda sovracompensata (sopra) vs sonda sottocompensata (sotto)

Se così fosse, bisogna agire sul compensatore posto sul bocchettone della sonda utilizzando sempre il cacciavite antistatico in dotazione:

si ruota delicatamente fino a che l’onda quadra non risulti perfetta.

Non tutti i modelli di sonda hanno il compensatore posto sul bocchettone: altre sonde ce l’hanno sul corpo

Fatto questo siamo pronti per utilizzare lo strumento. L’utilizzo è lo stesso del semplice analizzatore logico ma ci sono alcune raccomandazioni da fare:

  1. I settaggi che impostate sul DSO (scala e frequenza di campionamento) devono essere riportati pari pari nel software, altrimenti otterete misure con valori strani
  2. Per il campionamento di segnali digitali TTL e CMOS, è consigliabile utilizzare la sonda con il deviatore impostato a x10 e una scala di 2V/DIV
  3. Non misurate segnali con una tensione troppo alta. In ingresso al DSO possono arrivare max ±20V
  4. Con il DSO attivo non è possibile acquisire in modalità compressione nè fare acquisizione singola
  5. Per la misura dei parametri del segnale analogico attivate la finestra MSO -> Area Measurement. Vi compare un riquadro che riporta tutti i parametri del segnale misurato.
  6. Se non sapete utilizzare l’analizzatore logico, leggete il PDF che ho scritto anni fa, che è molto dettagliato e fornisce utili nozioni, lo potete scaricare gratuitamente seguendo il link all’ultimo paragrafo di questo articolo.
  7. La banda passante del DSO è di circa 20MHz per cui è chiaro che non potete misurare segnali con una frequenza superiore a questa. In realtà già a 16MHz io ho cominciato a notare delle imprecisioni: man mano che vi avvicinate al valore limite della banda passante, le misure diminuiscono in accuratezza
  8. Volendo utilizzare i cavetti originali del Logic-Cube vi renderete conto che, in modalità 1 canale DSO, se volete utilizzare il canale B, il flat originale in dotazione al Logic Cube, che è da 8 pin, non ci entra perchè B0 è occupato dal cavo del modulo DSO e il nostro flat ha il connettore da 8 pin. In questo caso si ovvia spostando il connettore di un posto verso il basso: noterete che ci sono due pin riservati (non c’è serigrafia sullo strumento). Basta non utilizzare l’ultimo cavetto e ricordarsi che i colori adesso sono spostati perchè su B1, che normalmente è di colore rosso, adesso avete il cavetto marrone e così via. I possessori dei LAP-C32 invece hanno la fortuna di poter utilizzare anche il banco C e il D tralasciando il B.

Una delle prime applicazioni che ho provato è stata quella di controllare i segnali di clock su un vecchio Commodore64 sfruttando contemporaneamente sia il canale analogico che quelli digitali. Ho in pratica utilizzato il canale analogico del DSO per controllare il quarzo principale del sistema (onda sinusoidale a 17.73447Mhz) e due canali digitali del LA per controllare il segnale Φ (0.98MHz) e il dot clock (7.88MHz):

Chiaramente l’onda sinusoidale non appare perfetta perchè, ricordatevi che 17MHz sono molto vicini al limite, e il campionamento è a 8bit. Confrontando i  valori misurati con quelli dichiarati sullo schema direi che le misure hanno una buona accuratezza.

Conclusioni

A mio avviso il DSO Module è un add-in molto utile soprattutto per quelli che, come me, smanettano con i vecchi computer/videogames e i Maker che si dilettano con dispositivi digitali e analogici a bassa frequenza. Avere a disposizione in un unico strumento sia un analizzatore logico che un oscilloscopio classico è molto comodo soprattutto per chi viaggia e necessita di avere tutto a portata di mano in poco spazio. Chi ha un LAP-C serie 32 sicuramente ne trae un vantaggio maggiore perchè anche con due banchi di canali digitali occupati dal DSO, può disporre comunque di altri 16 canali digitali liberi.

Non ho idea del prezzo di questo modulo perchè io l’ho ricevuto in anteprima in Italia. Non appena vengo a sapere chi lo distribuisce e il prezzo, provvedo ad aggiornare questo articolo. Se avete commenti vi ricordo che potete postarli al di sotto del link relativo a questo articolo sulla nostra pagina Facebook.

Immagini

 

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